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PLANEJAMENTO EXPERIMENTAL DA ADSORÇÃO DO DICLOFENACO DE SÓDIO EM MICROESFERAS DE QUITOSANA
Mateus Freire Bezerra¹, Zilvam Melo dos Santos², Izabelly Larissa Lucena³
Resumo: Este estudo avaliou a adsorção do fármaco diclofenaco de sódio por meio de microesferas de quitosana utilizando um planejamento experimental fatorial 22. Foram analisados os efeitos de duas variáveis, sendo elas a dosagem de quitosana em relação ao volume de solução de fármaco e o pH da mesma. Após a análise estatística dos resultados, tornou-se possível observar que o ponto de maior dosagem e menor valor de pH foi o que apresentou o maior valor de remoção (64,72%). Realizando a analise de todos os resultados foi possível notar que quanto superior a dosagem maior seria a remoção percentual, assim como quanto menor o valor de pH também maior a remoção. Também foi sugerido um modelo matemático polinomial linear de primeiro grau, possuindo um valor de R² de 0,997 e também um valor de F calculado para um erro de 5% superior ao valor tabelado.
Palavras-chave: Quitosana; Microesferas; Adsorção; Diclofenaco de sódio
1. INTRODUÇÃO
A procura por novos sistemas de liberação controlada de fármacos tem sido muito relevante no sentido de se estabelecer alternativas terapêuticas mais eficientes, que possibilitem administrar os fármacos com mais segurança e com efeitos colaterais minimizados [1]. Os métodos convencionais de administração são desenvolvidos para liberar rapidamente o agente ativo (moléculas bioativas) ou terapêutico (fármaco ou droga).
Geralmente são empregados sistemas diluentes solúveis com o intuito de favorecer a dissolução do agente, embora manter os níveis de sua concentração dentro da faixa terapêutica ainda seja um grande desafio [2].
A liberação controlada implica a associação química ou física, dos fármacos com materiais biocompatíveis em sistemas que, quando administrados in vivo, tenham a capacidade de (i) controlar de forma pré-determinada a taxa de liberação/entrega do fármaco a partir desse mesmo sistema, e/ou (ii) conduzir o fármaco até ao sítio específico em que este deve atuar. Estes sistemas são designados assim por sistemas de liberação controlada (SLC) de fármacos [3]. Os materiais poliméricos, pela sua variedade, versatilidade e propriedades, são a classe de materiais mais investigada no desenvolvimento de SLC. De fato, o desenvolvimento atual de novos SLC mais sofisticados e eficientes anda a par com o desenvolvimento de novos polímeros, desenhados para ter propriedades cada vez mais específicas [4].
A quitosana é um polímero derivado da quitina presente nas carapaças de diversos crustáceos que passou por um processo de desacetilação alcalina, ela é considerada não prejudicial ao organismo dos seres humanos, devido a capacidade que temos de produzir enzimas que metabolizam a mesma [5]. A quitina é separada de outros componentes da carapaça por um processo químico que envolve as etapas de desmineralização e desproteinização das carapaças dos crustáceos com soluções diluídas de HCl e NaOH, seguida de descoloração com KMnO4 e ácido oxálico, por exemplo [6]. A quitina pode ser convertida em quitosana por meios enzimáticos ou por desacetilação alcalina, sendo este último método o mais utilizado. Durante o curso da desacetilação, parte das ligações N-acetil do polímero são rompidas com a formação de unidades de D- glucosamina que contém um grupo amínico livre, aumentando a solubilidade o polímero em meios aquosos [7].
Figura 1 – Estrutura química da quitosana (SANTOS, 2004) UNIVERSIDADE FEDERAL RURAL DO SEMIÁRIDO - UFERSA
CURSO DE BACHARELADO EM CIÊNCIA E TECNOLOGIA Trabalho de Conclusão de Curso 2018.1
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A quitosana é um produto natural, de baixo custo, renovável e biodegradável, de grande importância econômica e ambiental. As carapaças de crustáceos são resíduos abundantes e rejeitados pela indústria pesqueira, que em muitos casos as consideram poluentes. Sua utilização reduz o impacto ambiental causado pelo acúmulo nos locais onde é gerado ou estocado [8]. Quitosana é insolúvel em água, mas se dissolve em ácidos orgânicos, tais como ácidos acético e fórmico, ácidos minerais, produzindo uma solução viscosa. Os grupos aminos do polímero estão completamente protonados em pH ~ 3, e a cadeia polimérica está carregada positivamente, ocasionando a sua dissolução [9].
Como adsorvente, a quitosana apresenta duas grandes desvantagens: solubilidade em meio ácido (que dificulta sua recuperação), e baixa área superficial, o que restringe o acesso aos sítios de adsorção que não são expostos, assim diminuindo a velocidade e a capacidade de adsorção [10]. A preparação de microesferas é uma estratégia para incrementar a capacidade de adsorção da quitosana, uma vez que as microesferas apresentam cinéticas de adsorção mais rápidas e maior facilidade de manuseio e operação [6]. A reticulação da quitosana previne que o polímero seja dissolvido em meio ácido e introduz grupos fosfatos, os quais possuem sítios básicos que poderão interagir com íons H3O+ e íons metálicos em solução aquosa [11].
O diclofenaco de sódio é uma substância anti-inflamatória não esteroidal (AINES), utilizado para reduzir a inflamação e aliviar a dor, funcionando como analgésico em situações de artrites e lesões agudas. O desenvolvimento de novas formas farmacêuticas de liberação modificada pode melhorar o efeito terapêutico deste fármaco, além de reduzir os efeitos colaterais indesejados [12]. A viabilidade do uso das drogas AINES, como o diclofenaco de sódio, é limitada pela alta incidência de efeitos colaterais no trato gastrointestinal, como indigestão, hemorragia, erosão da mucosa e ulceração. Este é apenas um dos motivos para que produtos com revestimento entérico sejam desenvolvidos [13].
Figura 2 – Estrutura química do diclofenaco de sódio (ARMANI, 2009)
Adsorção é o fenômeno no qual ocorre a adesão espontânea de moléculas presentes em um fluido (adsorbato) a uma superfície sólida (o adsorvente). O grau de adsorção depende das condições termodinâmicas, da superfície do adsorvente e das interações entre adsorvente e adsorbato [14]. A posição dos grupos funcionais do adsorbato sobre a superfície do adsorvente determina o tipo de ligação entre adsorbato/adsorvente e, portanto define se o processo é adsorção física ou química [15].
O planejamento fatorial experimental é uma ferramenta estatística que, por sua simplicidade, vem sendo cada vez mais utilizada pelos químicos analíticos, pois permite avaliar as condições ideais de trabalho e a otimização de metodologias [16]. Planejar experimentos é definir uma sequência de coletas de dados experimentais para atingir certos objetivos. Dentre os métodos de planejamento experimental disponíveis na literatura, o planejamento fatorial é o mais indicado quando se deseja estudar os efeitos de duas ou mais variáveis de influência, sendo que em cada tentativa ou réplica, todas as combinações possíveis dos níveis de cada variável são investigadas [17]. Apesar dos planejamentos fatoriais do tipo 2k serem mais comuns, e que com um número reduzido de níveis é praticamente impossível explorar de maneira completa uma grande região no espaço das variáveis (k > 4), estes ainda se mostram vantajosos, pois permitem verificar tendências importantes para a realização de investigações posteriores [18].
As microesferas de quitosana potencialmente são capazes de realizar o processo de adsorção, sendo a sua utilização para a adsorção do diclofenaco de sódio o processo a ser estudado neste trabalho, utilizando-se o artificio do planejamento experimental fatorial 2k para serem obtidas as melhores condições para a realização deste processo, observando principalmente o efeito da dosagem e do pH como os agentes influenciadores do processo a serem estudados.
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2. METODOLOGIA 2.1. Reagentes
- Quitosana
- Diclofenaco de sódio - Ácido acético - Hidróxido de sódio - Glutaraldeído - Ácido clorídrico
2.2. Determinação do teor de sólidos
Uma dada massa de quitosana foi pesada e em seguida foi levada para uma estufa a 120-125ºC no intuito de remover a água presente na mesma, após a sua remoção da estufa foi realizada uma nova pesagem e o procedimento foi repetido até que a massa pesada se torne constante. O valor é calculado pela Equação 1.
𝑇𝑠 (%) = 𝑚𝑐
𝑚𝑜 × 100 (1)
Onde Ts (%) é o teor de sólidos que indica o valor real da massa de quitosna, mc é a de quitonas desidratada e mo é a massa inicial utilizada para o procedimento.
2.3. Preparação das microesferas de quitosana
Para realizar a preparação das microesferas foram seguidos os procedimentos de MENEZES (2016) [19].
Incialmente foi feita uma solução de quitosana a 3% (m/v); esta foi dissolvida em ácido acético 2% (v,v) e agitada por um período de 24 horas num agitador magnético. Logo após, a solução de quitosana foi gotejada com a ajuda de uma bureta em uma solução de hidróxido de sódio 2 mol/L na qual ficaram por mais 24 horas sobre agitação branda e constante. Após isso, as esferas passaram por uma lavagem utilizando água deionizada até que seu pH fosse neutralizado. As esferas então foram reticuladas, mergulhando-as em uma solução de glutaraldeído a 2,5 mol/L onde permaneceram por mais 24 horas sobre agitação branda e constante. Após este tempo, as microesferas foram novamente lavadas com água deionizada até o pH 7,0. As esferas então ficaram estocadas em água deionizada até a realização do ensaio de adsorção.
2.4. Preparação das soluções de fármaco
Foram utilizadas 3 soluções de diclofenaco de sódio, todas a uma concentração de 60 mg/L, no ensaio onde seus pHs foram controlados para assumirem valores de pH 5,0, pH 7,0 e pH 9,0. Foram usadas 3 amostras de água deionizadas que previamente tiveram seus pHs ajustados utilizando um pH-metro e gotejando pequenas quantidades de ácido clorídrico 0,5 mol/L e hidróxido de sódio 2%. Amostras das soluções foram levadas ao espectrofotômetro para uma varredura completa e assim serem medidos os comprimentos de onda. Onde observa-se os picos máximos de absorbância onde seriam realizadas todas as análises. A solução com pH 5,0 obteve uma valor de 275 nm, a solução de pH 7,0 um valor de 275 nm e a de pH 9,0 um valor de 276 nm.
2.5. Ensaio de adsorção
Para o ensaio de adsorção foram colocados 50 ml de solução de fármaco a uma concentração de 60 mg/L com pHs variados em erlenmeyers de 250 ml junto com dosagens diferentes de esferas de quitosana, sendo colocado também sobre as mesmas condições uma amostra de branco, sem nenhuma esfera de quitosana, para realizar o calculo da porcentagem de remoção de fármaco. O ensaio foi realizado nas mesmas condições para todas as amostras, sendo todos eles realizados simultaneamente em um mesmo SHAKER onde estavam expostas a uma temperatura controlada de 37º C e sobre uma agitação de 90 RPM por 24 horas. Ao final deste tempo, as amostras passaram 10 minutos na centrífuga a 6000 RPM (para remover qualquer resíduo que poderia interferir na análise), em seguida foram registradas as absorbâncias de cada amostra por meio de um espectrofotômetro e seu nível de remoção calculado.
2.6. Planejamento experimental
Com o intuito de encontrar as melhores condições para a realização da adsorção do fármaco, foi utilizado o software STATISTICA 10.0 para realizar um planejamento experimental de 2² + 3 pontos centrais, contendo nele um total de 7 corridas. Do qual foi utilizado um intervalo de confiança de 95% para a realização da análise estatística.
Como as variáveis independentes foram escolhidas o efeito do pH e a dosagem de esferas de quitosana
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máximo como (+1). A variável dependente foi o percentual de remoção (R%) que mediu a quantidade de fármaco removida da solução, da qual foi calculada conforme a Equação 2.
Dessa forma gerou-se uma matriz do planejamento (Tabela 1) para o experimento. E os níveis máximos, mínimos e centrais podem ser observados na Tabela 2 .
𝑅(%) = 𝐴𝑖 − 𝐴𝑓
𝐴𝑖 × 100 (2)
Onde:
R(%) = Percentual de remoção;
Ai = Absorbância inicial;
Af = Absorbância final.
Tabela 1 – Matriz planejamento para adsorção da quitosana (Autoria própria)
Tabela 2 – Níveis assumidos pelas variáveis no planejamento (Autoria própria)
3. RESULTADOS E DISCUSSÃO 3.1. Remoção
A partir dos valores obtidos a partir da Equação 2, pode ser criada uma tabela relacionando as amostras utilizadas, mostrando o quanto do fármaco foi removido da solução pelas esferas de quitosana. Tais valores foram calculados utilizando brancos que estiveram expostos aos mesmos efeitos que as amostras originais. Os resultados podem ser vistos na Tabela 3.
Experimento Dosagem (g/100mL) pH R(%)
1 -1 -1 37,92%
2 +1 -1 65,72%
3 -1 +1 21,71%
4 +1 +1 52,50%
5 0 0 44,27%
6 0 0 46,03%
7 0 0 45,48%
Tabela 3 – Percentual de remoção de fármaco (Autoria própria)
O ponto com o melhor resultado de remoção foi o do experimento 2, que possue o maior valor de dosagem e que estava também no menor valor de pH, enquanto que o experimento 3, com menor dosagem e com o maior valor de pH, foi aquele que apresentou a menor remoção percentual. A partir desses dados pode-se sugerir que as melhores condições para este processo seriam as com maior dosagem e menor pH. É possível notar que a dosagem aparenta ter uma influencia maior sobre o processo do que o pH.
3.2. Diagrama de Pareto
Com o diagrama de Pareto, conforme a Figura 3, é possível analisar a significância que cada uma das variáveis utilizadas em relação ao processo, possibilitando saber qual delas afeta mais o processo da adsorção do fármaco. Este diagrama também atribui um valor que mostra como a interação entre as duas afeta o processo.
Experimento Dosagem
(g/100mL) pH
1 -1 -1
2 +1 -1
3 -1 +1
4 +1 +1
5 0 0
6 0 0
7 0 0
Variável -1 0 +1
Dosagem
(g/100mL) 4 8 12
pH 5,0 7,0 9,0
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Diagrama de Pareto DV: Remoção %
1,568626
-15,4772
30,80737
p=,05
Estimativ a do Valor Padronizado (Valor Absoluto) 1v s2
pH Dosagem (g/100mL)
1,568626
Figura 3 – Diagrama de Pareto (Autoria própria)
Como pode ser visto nos dados do diagrama, a variável mais significativa no processo é a dosagem, quanto maior seu valor melhor os valores de remoção. O efeito do pH também é bastante expressivo, neste caso foram obtidos melhores valores de remoção nas amostras contendo os menores valores de pH. Pode ser observado também que para um intervalo de confiança de 95% a interação da variável pH com a dosagem não foi estatisticamente significante.
3.3. Modelo matemático de primeira ordem
Utilizando os valores obtidos por meio da regressão linear, obtidos por meio do software STATISTICA 10.0, é possível formular um modelo matemático de primeira ordem que representa o percentual de remoção do processo para a faixa estudada. O modelo de primeira ordem é visualizado na Equação 3.
Remoção% = 44,80887(±0,359441) + 14,64887(±0,475496) x Dosagem – 7,35933(±0,475496) x pH (3) + 0,74588(±0,475496) x (Dosagem x pH)
3.4. Teste ANOVA
Os dados da tabela ANOVA servem para se ter uma noção se o modelo de primeira ordem é ou não um bom representador do processo em si. Mesmo com um valor de R² de 0,997 que por si só já demostra uma boa compatibilidade dos dados com o modelo, ainda é necessário mais um teste para a confirmação. O teste F é feito a partir dos dados da ANOVA e serve para confirmar se os dados reais se encaixam bem ao modelo adotado, um valor de F é calculado e depois comparado com valores já tabelados, para ser um modelo relevante o valor do F calculado deve ser superior ao valor F já tabelado. Na Tabela 4 estão os valores do teste ANOVA.
Fonte de variação Soma quadrados Graus de liberdade
Quadrado médio F Calculado
Regressão 1074,985 2 537,4925 435,4739
Erro 4,938 4 1,2345
Total SS 1079,923 6
Tabela 4 – ANOVA para adsorção do fármaco. R² = 0,997; F2;4;0,05 = 6,94 (Autoria própria)
Comparando o resultado do F calculado (435,7439) com o do F tabelado (6,94), pode se perceber que o calculado foi muito maior, mostrando assim que o modelo se encaixa com o processo para a faixa estudada, também é possível visualizar no gráfico dos valores preditos versus os observados (Figura 2) onde todos os pontos ficam bem alocados na reta.
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3.5. Preditos versus observados
Uma forma melhor de visualizar como os valores se encaixam no modelo proposto é por meio de um gráfico com os valores preditos em relação com os valores observados (Figura 4), que demonstra como os dados obtidos experimentalmente se encaixam no modelo proposto. Os pontos observados em cada amostra ficam bem dispostos ao longo da reta proposta pelo modelo de primeira ordem.
Valores Preditos vs. Observados DV: Remoção %
15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75
Valores Observados 15
20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75
Valores Preditos
Figura 4 – Valores preditos vs observados para a adsorção do fármaco (Autoria própria)
É possível observar que na faixa em que foi realizado este estudo, o modelo foi uma boa forma de representar como o processo em si ocorre, podendo ser possível ver o desempenho dele em todos os pontos observados, e em outros possíveis pontos por meio de uma curva de nível (Figura 5).
Remoção de Fármaco DV: Remoção %
> 70 < 68 < 58 < 48 < 38 < 28 < 18 -1,2 -1,0 -0,8 -0,6 -0,4 -0,2 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2
pH -1,2
-1,0 -0,8 -0,6 -0,4 -0,2 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2
Dosagem (g/100mL)
Figura 5 – Curva de nível para a faixa estudada (Autoria própria)
Ao analisar todos esses dados pode-se sugerir um ponto ótimo, levando em conta a faixa que foi estudada, para a realização do processo de adsorção do fármaco, sendo este ponto aquele com o menor pH e com a maior dosagem e onde é possível observar a maior taxa de remoção de fármaco.
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4. Conclusões
É possível notar com os dados expostos nesse estudo que a utilização de microesferas de quitosana é um método efetivo de adsorver o diclofenaco de sódio. Sendo possível representar a interação de forma bastante eficaz por meio de um modelo matemático polinomial linear de primeira ordem, com um valor de R² de 0,997 e um F calculado muito maior do que o F tabelado sempre levando em consideração uma confiabilidade de 95%.
A melhor faixa onde é possível observar os melhores valores de remoção é na região onde se tem os maiores valores de dosagem e o menores valores de pH, atingindo uma remoção de 65,72%. O fato de quanto maior a dosagem ser maior o percentual de remoção pode ser um empecilho em futuras possíveis aplicações industriais, podendo encarecer o processo devido a maior necessidade de matéria prima para a realização efetiva do processo.
Mesmo com os bons resultados obtidos a partir desta análise estatística ainda se faz necessário um estudo mais aprofundado da interação do fármaco com as esferas de quitosana. O estudo deve prosseguir com a realização de experimentos para determinar a cinética e a isoterma que melhor se encaixam no processo e só após estes e outros estudos pode ser possível a procura de uma possível aplicação industrial deste processo.
4. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
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